טכנולוגיית קירור PCB למדת

חבילות IC מסתמכות על PCB לפיזור חום. באופן כללי, PCB היא שיטת הקירור העיקרית למכשירי מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה. לעיצוב פיזור חום PCB טוב יש השפעה רבה, הוא יכול לגרום למערכת לפעול היטב, אך גם יכול לקבור את הסכנה הנסתרת של תאונות תרמיות. טיפול זהיר בפריסת PCB, מבנה הלוח והתקנת המכשיר יכול לסייע בשיפור ביצועי פיזור החום ביישומים בעלי עוצמה בינונית ועוצמה גבוהה.

ipcb

יצרני מוליכים למחצה מתקשים לשלוט במערכות המשתמשות במכשירים שלהם. עם זאת, מערכת עם מותקן IC היא קריטית לביצועי המכשיר הכוללים. עבור התקני IC מותאמים אישית, מעצב המערכת בדרך כלל עובד בשיתוף פעולה הדוק עם היצרן כדי להבטיח שהמערכת תעמוד בדרישות פיזור החום הרבות של מכשירים בעלי הספק גבוה. שיתוף פעולה מוקדם זה מבטיח כי ה- IC עומד בתקני חשמל וביצועים, תוך הקפדה על תפעול תקין בתוך מערכת הקירור של הלקוח. חברות גדולות רבות של מוליכים למחצה מוכרות מכשירים כרכיבים סטנדרטיים, ואין קשר בין היצרן לאפליקציה הסופית. במקרה זה, נוכל להשתמש בכמה קווים מנחים כלליים בלבד כדי לסייע בהשגת פתרון פסיבי חום פסיבי טוב עבור IC ומערכת.

סוג חבילת מוליכים למחצה נפוצה היא כרית חשופה או חבילת PowerPADTM. באריזות אלו השבב מותקן על לוח מתכת הנקרא כרית שבב. סוג זה של שבב תומך בשבב בתהליך עיבוד שבבים, והוא גם מסלול תרמי טוב לפיזור חום המכשיר. כאשר המשטח החשוף הארוז מרותך אל ה- PCB, החום יוצא במהירות מהחבילה ולתוך ה- PCB. לאחר מכן החום מתפזר דרך שכבות ה- PCB לאוויר שמסביב. חבילות כריות חשופות מעבירות בדרך כלל כ -80% מהחום אל ה- PCB דרך תחתית האריזה. 20% החום הנותרים נפלטים דרך חוטי המכשיר וצדדים שונים של האריזה. פחות מ -1% מהחום בורח מהחלק העליון של האריזה. במקרה של חבילות כריות חשופות אלה, עיצוב טוב של פיזור חום PCB חיוני להבטחת ביצועי מכשיר מסוימים.

ההיבט הראשון בעיצוב PCB המשפר את הביצועים התרמיים הוא פריסת מכשיר ה- PCB. במידת האפשר, יש להפריד בין רכיבי העוצמה הגבוהה במחשב הלוח זה מזה. המרווח הפיזי הזה בין רכיבים בעלי הספק גבוה ממקסם את שטח ה- PCB סביב כל רכיב בעל הספק גבוה, מה שעוזר להשיג העברת חום טובה יותר. יש להקפיד להפריד בין רכיבים רגישים לטמפרטורה לבין רכיבים בעלי הספק גבוה במחשב הלוח. בכל מקום אפשרי, רכיבים בעלי הספק גבוה צריכים להיות ממוקמים הרחק מפינות הלוח. מיקום PCB בינוני ממקסם את שטח הלוח סביב הרכיבים בעלי הספק גבוה, ובכך מסייע בפיזור החום. איור 2 מציג שני התקני מוליכים למחצה זהים: רכיבים A ו- B. לרכיב A, הממוקם בפינת הלוח, טמפרטורת צומת A שבבים גבוהה ב -5% מהרכיב B, הממוקם באופן מרכזי יותר. פיזור החום בפינת רכיב A מוגבל על ידי שטח הלוח הקטן יותר סביב הרכיב המשמש לפיזור חום.

ההיבט השני הוא מבנה ה- PCB, בעל ההשפעה המכריעה ביותר על הביצועים התרמיים של עיצוב ה- PCB. ככלל, ככל שיש ל- PCB יותר נחושת כך הביצועים התרמיים של רכיבי המערכת גבוהים יותר. המצב פיזור החום האידיאלי עבור התקני מוליכים למחצה הוא שהשבב מותקן על גוש גדול של נחושת מקוררת בנוזל. זה לא מעשי עבור רוב היישומים, ולכן נאלצנו לבצע שינויים אחרים ב- PCB כדי לשפר את פיזור החום. עבור רוב היישומים כיום, הנפח הכולל של המערכת מצטמצם, ומשפיע לרעה על ביצועי פיזור החום. ל- PCBS גדול יותר יש שטח פנים רב יותר שניתן להשתמש בו להעברת חום, אך יש להם גם יותר גמישות להשאיר מספיק מקום בין רכיבים בעלי הספק גבוה.

במידת האפשר, למקסם את מספר ועובי שכבות הנחושת של PCB. משקל הנחושת הארקה הוא בדרך כלל גדול, שהוא מסלול תרמי מצוין עבור כל פיזור החום של ה- PCB. סידור חיווט השכבות גם מגדיל את המשקל הספציפי הכולל של נחושת המשמשת להולכת חום. עם זאת, חיווט זה בדרך כלל מבודד חשמלית, ומגביל את השימוש בו בתור גוף קירור פוטנציאלי. יש לחווט את הארקה של המכשיר בצורה החשמלית ככל האפשר לכמה שיותר שכבות הארקה בכדי לסייע למקסם את הולכת החום. חורי פיזור חום במעגל הלוח מתחת למכשיר המוליכים למחצה מסייעים לחום להיכנס לשכבות המשובצות של הלוח המודרני ולהעביר לחלק האחורי של הלוח.

השכבות העליונות והתחתונות של PCB הן “מיקומים ראשוניים” לשיפור ביצועי הקירור. שימוש בחוטים רחבים יותר וניתוק הרחק מהתקנים בעלי הספק גבוה יכול לספק נתיב תרמי לפיזור החום. לוח הובלת חום מיוחד הוא שיטה מצוינת לפיזור חום PCB. הצלחת המוליכה התרמית ממוקמת בחלקו העליון או האחורי של הלוח המודפס ומחוברת תרמית למכשיר באמצעות חיבור נחושת ישיר או חור תרמי. במקרה של אריזה מוטבעת (רק עם מוליכים משני צידי האריזה), ניתן למצוא את צלחת הולכת החום בחלק העליון של הלוח הלוח, בצורת “עצם כלב” (האמצע צר כמו האריזה, לנחושת הרחק מהחבילה יש שטח גדול, קטן באמצע וגדול משני קצותיו). במקרה של חבילה בעלת ארבעה צדדים (עם מוליכים מכל ארבעת הצדדים), לוחית הולכת החום חייבת להיות ממוקמת בחלק האחורי של הלוח המודרני או בתוך הלוח.

הגדלת גודל צלחת הולכת החום היא דרך מצוינת לשפר את הביצועים התרמיים של חבילות PowerPAD. לגודל שונה של צלחת הולכת החום יש השפעה רבה על הביצועים התרמיים. דף נתוני מוצר טבלאי מפרט בדרך כלל את המידות הללו. אך קשה לכמת את ההשפעה של הוסיף נחושת על PCBS מותאם אישית. בעזרת מחשבונים מקוונים, משתמשים יכולים לבחור מכשיר ולשנות את גודל כרית הנחושת כדי להעריך את השפעתו על הביצועים התרמיים של מחשב שאינו JEDEC. כלי חישוב אלה מדגישים את המידה שבה עיצוב PCB משפיע על ביצועי פיזור החום. עבור חבילות בעלות ארבעה צדדים, כאשר שטח הכרית העליונה הוא פחות משטח הכרית החשופה של המכשיר, הטבעה או שכבה אחורית היא השיטה הראשונה להשיג קירור טוב יותר. לאריזות כפולות בשורה, אנו יכולים להשתמש בסגנון כרית “עצם הכלב” כדי לפזר חום.

לבסוף, מערכות עם PCBS גדול יותר יכולות לשמש גם לקירור. הברגים המשמשים להתקנת הלוח המודרני יכולים גם לספק גישה תרמית יעילה לבסיס המערכת כאשר הוא מחובר לצלחת התרמית ולשכבת הקרקע. בהתחשב במוליכות התרמית ובעלות, יש למקסם את מספר הברגים עד כדי ירידה בתשואות. למקשה PCB המתכת יש שטח קירור רב יותר לאחר חיבורו לצלחת התרמית. עבור יישומים מסוימים בהם יש למעטפת PCB מעטפת, לחומר תיקון הלחמה מסוג TYPE B יש ביצועים תרמיים גבוהים יותר מהקליפה מקוררת האוויר. פתרונות קירור, כגון מאווררים וסנפירים, משמשים גם הם בדרך כלל לקירור מערכת, אך לעתים הם דורשים יותר מקום או דורשים שינויי עיצוב כדי לייעל את הקירור.

כדי לעצב מערכת בעלת ביצועים תרמיים גבוהים, לא מספיק לבחור מכשיר IC טוב ופתרון סגור. תזמון ביצועי הקירור של IC תלוי ב- PCB וביכולת מערכת הקירור כדי לאפשר למכשירי IC להתקרר במהירות. שיטת הקירור הפסיבי שהוזכר לעיל יכולה לשפר מאוד את ביצועי פיזור החום של המערכת.